Módulo de Aprendizaje 28: Protección contra Picos y Acondicionamiento de la Energía. Serie Básica 101

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1 Módulo de Aprendizaje 28: Protección contra Picos y Acondicionamiento de la Energía Serie Básica 101

2 Temario En este módulo, estudiaremos con detalles cada uno de estos temas: Introducción 5 Proliferación de los Dispositivos Electrónicos de Estado Sólido 5 El Lado Negativo de los Dispositivos Electrónicos de Estado Sólido 5 Perturbaciones de la Calidad de la Energía 5 Picos o Transitorios 6 Variaciones de Tensión Multicíclicas 6 Distorsión por Ruido 7 Conexión a Tierra 7 Introducción 7 Conexión a Tierra y Producción de Picos 8 Repaso 1 9 Rayos 10 Aplicación de una Protección contra Picos 11 Utilización de una Tira contra Transitorios 11 Enfoque en Dos Etapas 13 Supresión de Picos Integrada 15 Repaso 2 17 Tecnología de Protección contra Transitorios 18 Varistor de Óxido de Metal 18 Diodo de Avalancha de Silicio 18 Célula de Selenio 19 Varistor de Óxido de Metal vs. Diodo de Avalancha de Silicio en Sistemas de Energía Eléctrica CA: Mito y Realidad 20 Estándares de Dispositivo de Protección contra Transitorios 23 Resumen de los Estándares 23 UL da Edición 24 UL 497, 497A y 497B 24 ANSI/IEEE C IEEE 1100 (1992) 26 NEMA LS-1 26 NFPA Repaso 3 28 Ayuda al Cliente 29 Criterios de Especificación para Protección contra Transitorios de Distribución 29 Qué es la Capacidad de Corriente Transitoria? 29 Qué Capacidad de Corriente de Sobretensión Se Requiere? 30 Por qué no se deben utilizar especificaciones como Julio para Comparar los Dispositivos de Protección contra Transitorios? 31 Por qué es importante llevar a cabo una Prueba Independiente? 31 Qué es la Tensión Transmitida? 31 Página 2

3 Qué efecto tiene una Instalación sobre el Desempeño de un Dispositivo de Protección contra Transitorios? 31 Cuál es el Beneficio de la Filtración? 32 Se requiere de Mantenimiento para un Dispositivo de Protección contra Transitorios? 33 Un Dispositivo de Protección contra Transitorios me proporciona una cobertura al 100% en Todas las Cargas Eléctricas? 33 Qué Causa la Falla de un Dispositivo de Protección contra Transitorios? 34 Repaso 4 35 Glosario 36 Respuestas del Repaso 1 39 Respuestas del Repaso 2 39 Respuestas del Repaso 3 39 Respuestas del Repaso 4 39 Página 3

4 Bienvenido Bienvenido al Módulo 28, que trata de dispositivos de protección contra picos. Un dispositivo de protección contra picos se utiliza para proteger un equipo electrónico contra picos de tensión perjudiciales. Figura 1. Las Instalaciones y los Equipos Electrónicos Están Constantemente en Riesgo por Picos de Tensión Nota sobre Estilos de Fuentes Viendo el Glosario Como en los demás módulos en esta serie, este módulo presenta pequeñas secciones de material nuevo seguidas por una serie de preguntas sobre este material. Estudie el material cuidadosamente y después conteste las preguntas sin hacer referencia a lo que acaba de leer. Usted es el mejor juez de su asimilación del material. Repase el material tan frecuentemente como lo considere necesario. Lo más importante es establecer una base sólida sobre la cual construir conforme pasa de tema en tema y de módulo en módulo. Los puntos esenciales se presentan en negritas. Los términos del Glosario son subrayados y se presentan en cursivas la primera vez que aparecen. Las versiones impresas tienen el glosario al final del módulo. Usted puede también hojear el Glosario seleccionando con el mouse la marca de Glosario en el margen izquierdo. Página 4

5 Introducción Proliferación de los Dispositivos Electrónicos de Estado Sólido La popularidad de los dispositivos electrónicos de estado sólido ha crecido dramáticamente en las últimas décadas. Esto es cierto en el caso de todos los segmentos del mercado: consumidores, comercial e industrial. De hecho, aproximadamente la mitad de la energía eléctrica generada a escala mundial pasa a través de un dispositivo de este tipo. Considere una casa típica hoy en día. Está llena de todo tipo de equipos electrónicos. Televisores, Videograbadoras, hornos de microondas, equipo estereofónico, computadoras, etc. Es fácil ver por qué los dispositivos electrónicos de estado sólido son tan populares. Los dispositivos son pequeños. Son cómodos de usar. Son muy precisos en cuanto a su función, ofreciendo un desempeño superior. Y sin partes móviles, son excepcionalmente duraderos. Figura 2. Dispositivos Electrónicos de Estado Sólido El Lado Negativo de los Dispositivos Electrónicos de Estado Sólido Perturbaciones de la Calidad de la Energía Sin embargo, los dispositivos electrónicos de estado sólido tienen su lado negativo. Para proporcionar el funcionamiento preciso y confiable que se espera de ellos, estos dispositivos requieren de una fuente igualmente confiable de energía. Los microprocesadores se basan en señales digitales que son secuencias rápidas de conexión/desconexión. Si las secuencias son distorsionadas, las señales pueden ser afectadas. El desempeño puede verse aminorado o hasta detenido. En el caso de un pico de Tensión mayor (100V-20kV), los dispositivos pueden ser dañados o destruidos, lo que resulta en costos de reemplazo de equipo potencialmente muy elevados. Claramente, se debe resolver este problema. Puesto que es imposible evitar la penetración de los picos de tensión en un edificio o evitar que ocurran en un edificio, se inventó la protección contra picos. La función del protector contra picos es detener (o por lo menos limitar) los efectos de una Calidad de la Energía menos que perfecta sobre los dispositivos electrónicos de estado sólido. La protección contra picos es una solución económica para evitar el tiempo perdido y el daño al equipo. Es adecuado para cualquier instalación o carga (600 volts y menos). La protección contra picos debe de ser aplicada no solamente al sistema de energía eléctrica CA, sino también a las líneas de teléfono, televisión por cable y otras líneas de comunicación que entran a los hogares. La perturbación de la calidad de la energía puede encontrarse dentro de un rango de un microsegundo a un estado de equilibro constante. Un microsegundo puede no parecer mucho tiempo pero para un equipo electrónico delicado, es toda una vida. Las perturbaciones de la calidad de la energía pueden ser causadas por las fuerzas de la naturaleza, ciclos de ARRANQUE/PARADA de los equipos, o bien dispositivos que introducen distorsiones. Existen algunas perturbaciones muy comunes que afectan un sistema. Incluyen: Transitorios o Picos Variaciones de tensión multicíclicas (es decir, condiciones de Transitorios de Baja Tensión y Transitorios de Alta Tensión) Página 5

6 Picos o Transitorios Distorsión por Ruido Armónicas (este tema se presenta en el Módulo 15, Administración de la Energía) Veamos brevemente estos tipos de perturbaciones. Un pico eléctrico o transitorio es una perturbación eléctrica de corta duración, con alto nivel de energía, aleatoria. Por definición, es un evento de menor duración que un ciclo. Los términos comunes para transitorios son Impulso de Tensión y Pico Transitorios (un solo impulso). Las fuentes de estos transitorios incluyen: Rayos Cargas (capacitivas e inductivas) Cortocircuitos Operación de un controlador de velocidad variable Operación de equipo de formación de imágenes (fotocopiadoras y escáners) Soladura de Arco Reductores de Luz Figura 3. Forma de Onda Típica de un Impulso de Tensión Variaciones de Tensión Multicíclicas Un pico puede desplazarse en cualquier conductor metálico que penetra en un edificio. Línea eléctricas, telefónicas y de cable coaxial pueden tornarse grandes conductores de pico. Los transitorios son de corta duración: típicamente de microsegundos. Pueden ser por naturaleza de impulsos o oscilantes (vibratorias). Son demasiado rápidos para ser detenidos por los interruptores de circuito o fusibles. Pueden dañar los dispositivos de estado sólido y corromper los datos de los microprocesadores. La utilización de pararrayos y Dispositivo de Protección contra Transitorios (SPD), o bien Supresores de Pico de Tensión Transitorios (TVSS), pueden ayudar a mitigar algunos de los problemas causados por los picos eléctricos. Las condiciones de transitorios de baja tensión y transitorios de alta tensión pueden ser causadas por varias grandes cargas conectándose o desconectándose al mismo tiempo. Un transitorio de baja tensión puede ser causado cuando varios grandes motores arrancan al mismo tiempo. Fallas en sistemas de distribución o mal funcionamiento de equipo de la empresa de suministro de energía eléctrica pueden también causar transitorios de baja tensión. Los transitorios de baja tensión pueden afectar las bobinas de los arrancadores de motores diseñados para desconectarse cuando la tensión baja al 85% de us valor nominal. Página 6

7 Los transitorios de alta tensión son frecuentemente causados cuando ocurre una baja repentina de carga. Fallas individuales de conexión de línea a tierra o la conexión de grandes baterías de capacitores puede resultar en condiciones de transitorios de alta tensión o Sobretensión. Figura 4. Formas de Onda para Energía CA normal, en Condición de Transitorio de Baja Tensión y Condición de Transitorio de Alta Tensión Distorsión por Ruido Conexión a Tierra Introducción La duración de un transitorio de baja tensión o de un transitorio de alta tensión es generalmente entre 1/2 ciclo y 1 minuto. (Cuando la duración rebasa un minuto, la perturbación se conoce como perturbación de baja tensión o sobretensión). Pueden causar el apagado de computadoras y PLCs o el bloqueo en un programa, puede causar que los motores se paren y cambien la abertura de contactores y relevadores. Puede también ocurrir formación de arco de tensión y fallas de componentes. El uso de reguladores de tensión y acondicionadores de línea de suministro de energía eléctrica puede resolver estos problemas. Además, productos que acondicionan la energía habituales se están volviendo soluciones viables para mitigar las interrupciones y los transitorios de baja tensión. La distorsión por ruido toma la forma de señales eléctricas indeseadas presentes en la forma de onda de tensión de estado constante. La Interferencia de Radio Frecuencia (RFI), producido por componentes de sistemas de sistemas de comunicación, puede contribuir al ruido de sistema. Ya ha tenido interferencias estáticas en su televisor causadas por una secadora o un radio CB cercano? Son ejemplos de RFI. Filtros individuales o bien combinaciones de varios filtros pueden reducir el ruido en una línea para incrementar la calidad de su energía eléctrica. Otra forma de ruido es causada por las diferencias en cuanto a potenciales de tierra en un sistema eléctrico. La supresión de picos, alambrado, protección y conexión a tierra del sistema eléctrico de un edificio, incluyendo el alambrado de comunicación, tienen un efecto importante sobre los niveles de ruido al cual están expuestos los equipos electrónicos. Todos los sistemas de distribución eléctrica deben estar apropiadamente conectados a tierra para asegurar la seguridad del sistema. Otro beneficio importante de una conexión a tierra correcta es una operación confiable de los equipos electrónicos. Página 7

8 Conexión a Tierra y Producción de Picos La electricidad toma la ruta de la menor Resistencia. Una persona que entra en contacto con un sistema eléctrico no conectado a tierra se volvería probablemente la conexión a tierra misma y recibiría un choque de alta tensión. La conexión a tierra es exactamente lo que su nombre indica: una conexión eléctrica con la tierra. Se logra habitualmente fijando un Conductor a un electrodo metálico (varilla) que es enterrado después en la tierra. Esta conexión proporciona una Ruta de Conexión a Tierra para todo el sistema de distribución de energía eléctrica de un edificio, desde la Acometida. Puede ser fácil establecer la relación entre la conexión a tierra y la protección contra picos. La conexión a tierra del sistema ofrece una ruta que puede seguir el pico, evitando daños al sistema. Si la conexión a tierra no es sólida, la protección contra picos no funcionará apropiadamente. Imagine que un rayo cae sobre una instalación equipada con un sistema de protección contra rayos, un tipo especial de sistema de protección contra picos. (Comentaremos con mayores detalles los rayos más adelante). La función del sistema de protección contra rayos es transportar la Corriente generada por el rayo a través de la instalación hacia la conexión a tierra. Esto se efectúa proporcionando al rayo una ruta altamente conductora hacia la tierra, minimizando las rutas alternas a través de otros elementos (equipo electrónico costoso, por ejemplo). Si la conexión a tierra es insatisfactoria, o inoperante, la corriente generada por el rayo puede seguir una ruta mucho más dañina a través de la instalación, causando daño a equipo y/o lesión al personal. Esta situación es mucho más común de lo que usted puede pensar. De hecho, aproximadamente el 80% de los problemas de calidad de la energía se relacionan con problemas de conexión a tierra. La eficacia de la conexión a tierra se relaciona también directamente con la resistencia en el sistema. Entre menor es la resistencia de conexión a tierra, más eficaz será dicha conexión a tierra. Puesto que la conexión a tierra es tan vital para la seguridad de un sistema de distribución de energía eléctrica, debe ser revisada y probada regularmente. Página 8

9 Repaso 1 Conteste las siguientes preguntas sin hacer referencia al material que se le acaba de presentar. Empiece la sección siguiente cuando esté seguro que entiende lo que ya ha leído. 1. En sus propias palabras, defina un pico. 2. Existe una diferencia entre un pico, un transitorio, y un impulso de tensión? SI NO 3. Liste tres de las cuatro perturbaciones muy comunes que pueden afectar un sistema. 4. En sus propias palabras, explique la diferencia entre un transitorio de baja tensión y un transitorio de alta tensión. 5. Un interruptor de circuito puede parar un pico? SI NO Página 9

10 Rayos A continuación vamos a presentar la perturbación de la calidad de la energía más destructora de todas: el rayo. Primero vamos a ofrecer algunas estadísticas del National Lightning Safety Institute (NLSI) [Instituto Nacional de Seguridad en Materia de Rayos]. En cualquier momento, más de 1,000 tormentas de rayos están en curso en el mundo entero. Los rayos alcanzan la tierra más de 100 veces por segundo. Las estructuras altas, tales como torres de radio y edificios de oficinas son alcanzados por los rayos de 5 a 10 veces por año. Los edificios más pequeños pueden esperar ser alcanzado por un rayo una vez al año. Los rayos causan en los Estados Unidos de América más de $2 billones de dólares por año en pérdidas económicas, principalmente por daño a computadoras y pérdida de datos. Esta cifra se está elevando rápidamente puesto que los dispositivos de microprocesadores siguen ganando popularidad. Son números muy impactantes verdad? Los rayos representan un problema más serio de lo que piensa la gente en general. De hecho, el NLSI establece que los rayos representan un peligro subestimado. A continuación viene lo más impactante: Con una buena implementación de los dispositivos de protección contra picos y se podría evitar una gran parte de estas pérdidas. En Campo Después de una tormenta violenta, el gerente de planta en la instalación de Westerville, OH de Eaton Corporation fue recibido por varios bomberos con sus hachas en mano. El sistema automático de alarma contra incendios envío una falsa alarma cuando un rayo inducido penetró en el edificio a través del sistema de HVAC. En este instante decenas de miles de dólares de equipo eléctrico y electrónico desaparecieron. El Protector contra Picos CPS de Cutler-Hammer Instalado en el Tablero Eléctrico El gerente de planta decidió que se requería una supresión de picos como un plan de protección global a escala de la planta. Página 10

11 Esta pequeña inversión pudo haber ahorrado el costo elevado de reemplazar el equipo destruido. Aplicación de una Protección contra Picos Utilización de una Tira contra Transitorios Si un edificio es golpeado directamente, la corriente de impulso medida en miles de Amperes puede penetrar en las líneas de suministro de energía eléctrica, datos y teléfono. Las computadoras y dispositivos periféricos, conmutadores telefónicos, y equipo de interfaz de datos pueden ser fácilmente dañados o destruidos por este tipo de pico de energía. La Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) publica NFPA 780, el Código de Protección contra Rayos. Se enfoca hacia los requerimientos de protección para instalaciones tales como: Estructuras ordinarias Estructuras misceláneas y ocupaciones especiales Entornos industriales Los siguientes artículos son extraídos directamente de la edición de 1992 de la publicación de código NFPA 780. NFPA 780 define un sistema de protección contra rayos como un sistema completo de terminales aéreas, conductores, terminales de conexión a tierra, conductores de interconexión, dispositivos de supresión de picos, y otros conectores o aditamentos requeridos para completar el sistema. La sección 3-21 del código se refiere a la supresión de picos. Dice lo siguiente: Dispositivos adecuados para la protección de la estructura deberá instalarse en entradas de servicios telefónicos y eléctricos y en entradas de antenas de radio y televisión. Nota: Sistemas eléctricos y equipos de utilización dentro de la estructura pueden requerir de una supresión adicional de picos. La sección D-4.8 del código describe la ubicación de instalación para dispositivos de supresión de picos. Establece lo siguiente: Dispositivo de supresión de picos deben instalarse en todo el alambrado que entra o sale de un equipo electrónico, habitualmente alambrado de comunicación de datos o suministro de energía eléctrica. El objetivo de diseño de un dispositivo de protección contra picos es desviar la mayor cantidad posible de perturbación transitoria de la energía eléctrica de la carga. Para lograr este propósito, un dispositivo de Derivación de baja impedancia, por ejemplo un supresor de picos, redirige el transitorio hasta la tierra. Evidentemente, el dispositivo de protección contra picos debe ubicarse corriente arriba de la carga que debe proteger, pero qué configuración de distribución debe emplearse? Seguro que usted ha visto estos dispositivos económicos: un grupo de cinco o seis receptáculos conectados a una extensión, habitualmente con un interruptor de circuito integrado o fusible. Usted puede comprarlos por menos de 20 dólares en una tienda de hardware. Hasta puede tener uno o dos en su casa. Tal vez lo esté alarmando, pero es todo lo que existe entre sus equipos electrónicos costosos (estéreo, televisor, computadora, etc.) y un rayo, su inversión no es tan segura como usted cree. Es una aplicación errónea común que podría Página 11

12 costarle al dueño de una casa o de un pequeño negocio una fortuna en costos de reparación y/o reemplazo. Una tira contra transitorios típica ofrece una especificación de corriente de transitorio de solamente 2,000 a 6,000 amperes. IEEE define el transitorio de rayo máximo en 20,000 volts y 10,000 amperes. Cuando un rayo supera la tira contra transitorios, usted puede imaginar a donde va el resto del transitorio. Otra consideración: los transitorios no entran en las instalaciones, solamente en las líneas de energía eléctrica CA. Los cables coaxiales y las líneas de teléfono están también en riesgo. Una máquina fax o computadora debe de tener protección para línea de suministro de energía eléctrica CA y línea de teléfono. Un televisor debe tener protección para línea de suministro de energía eléctrica CA y cable coaxial. Ahora, no tire sus tiras contra transitorios. Ofrecen una protección vital para sus equipos electrónicos. Pero, las tiras contra transitorios solas no ofrecen una protección suficiente. Veamos a continuación una estrategia de protección más completa. Página 12

13 En Campo Las líneas de suministro de energía eléctrica CA no son las únicas que pueden servir como conductores de transitorios. De hecho, los transitorios pueden desplazarse en cualquier conductor metálico. Un transitorio podría ingresar fácilmente a una instalación a través de las líneas de comunicación (teléfono y fax), líneas de datos (en el caso de redes de computadoras), o bien cable coaxial (en el caso de servicio de televisión por cable). Protección Completa contra Transitorios en el caso de una Casa Habitación Por esta razón, dispositivos de protección contra transitorios (SPDs) deben instalarse en la acometida en todos los conductores metálicos. Una solución cómoda es un dispositivo de protección contra transitorios de combinación, tal como se muestra aquí. Ofrece protección de acometida para líneas de suministro de CA, líneas telefónicas y líneas coaxiales, en un solo paquete. Enfoque en Dos Etapas IEEE (Libro Esmeralda 1992) recomienda que los dispositivos de protección contra picos sean coordinados en enfoque escalonado o en cascada. IEEE y NFPA 780 dicen que el punto inicial es la acometida. El primer dispositivo de protección contra picos debe colocarse aquí para suprimir un gran porcentaje del evento inicial. Esto es decir, el protector contra picos de primer nivel se coloca en un centro de carga (acometida) para reducir un pico de tensión a un nivel aceptable para dispositivos corriente abajo incluyendo dispositivos de protección contra picos más pequeños (tiras de protección contra transitorios de punto de uso). Para manejar cualquier tensión residual, se debe colocar un segundo dispositivo de protección contra picos justo antes de cargas críticas, por ejemplo el tablero de energía en un cuarto de cómputo de una planta. Este enfoque en dos etapas reduce un pico de rayo de 20 kv a picos muy por debajo de 330 volts, que es el límite recomendado impuesto por el IEEE. Página 13

14 Figura 5. El Enfoque en Dos Etapas según IEEE es Extremadamente Efectivo En el caso de una aplicación residencial, la protección de segunda etapa puede tomar la forma de una tira de protección contra transitorios, es decir, a condición que ofrezca protección para todas las cargas expuestas: línea de suministro de energía eléctrica CA, líneas telefónicas y/o cable coaxial. La primera etapa sería un dispositivo directamente instalado en el tablero eléctrico para desviar con seguridad la mayor parte del transitorio de las cargas críticas (electrodomésticos y electrónicos). Figura 6. Primera Etapa: Protector de Centro de Carga y Segunda Etapa: Tiras contra Transitorios Figura 7. Protección en Dos Etapas en una Aplicación Residencial Veamos también una aplicación industrial. La primera etapa de protección es ofrecida en la acometida, con un dispositivo de protección contra transitorios integrada en el Switchboard o en el Tablero principal. La protección de segunda etapa puede tomar la forma de un protector de cargas críticas (por ejemplo un dispositivo de filtración), o bien un dispositivo de protección contra transitorios en el tablero de energía que alimenta las cargas críticas. Página 14

15 Figura 8. Protección en Dos Etapas en una Aplicación Industrial Supresión de Picos Integrada Históricamente, los dispositivos de supresión de sobretensión fueron adquiridos como dispositivos independientes. Eran simplemente montados al lado de un panelboard o swtichboard y conectados por cable e interruptor de circuito disponible. Este tipo de diseño sigue estando en uso hoy en día para modificaciones retroactivas. Figura 9. Supresión de Pico Independiente (a la izquierda) vs. Supresión de Pico Integrada En los últimos años, los fabricantes de switchgear han comenzado a integrar los dispositivos de supresión en los equipos de distribución de energía eléctrica. Hoy en día, la supresión de pico está disponible en muchos tipos de switchboard, tableros, electroductos y centros de control de motor. Este diseño integrado ha resuelto muchos problemas relacionados con el enfoque independiente. El beneficio más importante es un mejor desempeño de supresión. El dispositivo de supresión está conectado directamente a las barras bus, eliminando una gran parte de la Impedancia asociada con la colocación de un cable hacia un dispositivo de supresión externo. Una menor impedancia se traduce directamente en una mejor Tensión transmitida. Página 15

16 Figura 10. La Supresión de Picos Independiente Es Menos Eficaz que la Supresión de Pico Integrada Los beneficios adicionales de la supresión de picos integrada en comparación con una modificación retroactiva incluyen: Costos de instalación reducidos No hay necesidad de contratar a un especialista o electricista en mantenimiento para montar los dispositivos de protección contra transitorios. Uso reducido de espacio de pared La integración del supresor libera hasta tres pies de espacio de pared por unidad. El espacio es un parámetro valioso en cualquier sala de equipos eléctricos. El hecho de ahorrar espacio de pared es un beneficio importante para los propietarios de instalaciones e ingenieros. Tranquilidad Puesto que el supresor viene instalado de fábrica y probado, el encargado de las especificaciones no tiene que revisar la instalación. La solución de modificación retroactiva, si es instalada incorrectamente, podría obligar al encargado de las especificaciones a forzar al contratista a reinstalar el dispositivo; un proceso costoso y que requiere tiempo. Se reducen las reclamaciones futuras con la solución integrada, que son dolores de cabeza para los ingenieros y los usuarios finales. Ausencia de conflicto de garantía Si surge un problema, el cliente requiere de tratar con un solo fabricante. Página 16

17 Repaso 2 Conteste las preguntas siguientes sin hacer referencia al material que se le acaba de presentar. Empiece la sección siguiente cuando esté seguro que entiende lo que ya ha leído. 1. Los rayos cuestan más de $2 USD en los Estados Unidos por Año en cuanto a pérdidas económicas. A. millones B. cientos millones C. billones 2. La tira de protección contra transitorios típica proporciona un valor nominal de corriente de transitorio de aproximadamente amperes, mientras que IEEE define el transitorio máximo de rayo como amperes. A. 500 a 1,000; 1,000 B. 2,000 a 6,000; 10,000 C. 5,000 a 20,000; 25,000 D. 2,000 a 10,000; 6, Los transitorios penetran en las instalaciones solamente a través de las líneas de suministro de energía CA. VERDADERO FALSO 4. En sus propias palabras, explique por qué un enfoque en dos etapas (o cascada) se utiliza para proteger las cargas electrónicas dentro de una instalación. 5. En sus propias palabras, explique por qué una supresión de picos integrada ofrece un mejor desempeño de supresión que el enfoque independiente. Página 17

18 Tecnología de Protección contra Transitorios Varistor de Óxido de Metal Existen varios tipos de componentes de protección contra transitorios utilizados por fabricantes de dispositivo de protección contra transitorios. Son: MOVs SADs Tubos de gas (no abarcados en este módulo 101) Células de selenio Dispositivos híbridos La tecnología más confiable y comprobada disponible para reducir un transitorio es el Varistor de Óxido de Metal (MOV). Es también la tecnología más ampliamente utilizada en la industria. En aplicaciones de energía eléctrica CA, más del 99% de todos los dispositivos de protección contra transitorios incorporan la tecnología MOV debido a su alta capacidad de energía y desempeño confiable como Estabilizador. En condiciones de operación normales, el MOV es un componente de alta impedancia que tiene una pequeña corriente de fuga que lo atraviesa. Pero, cuando está sometido a un pico de tensión de digamos 125% de la tensión nominal del sistema, el MOV reacciona en nanosegundos, volviéndose una ruta de baja impedancia para desviar la sobretensión lejos de la carga. Figura 11. El MOV Protege el Equipo contra Sobretensiones Dañinas Diodo de Avalancha de Silicio Un elemento de filtro se utiliza frecuentemente en combinación con un MOV. Este arreglo híbrido ofrece numerosas ventajas, incluyendo una respuesta más rápida, una mejor estabilización y una vida más larga. El Diodo de Avalancha de Silicio (SAD), es utilizado frecuentemente en protectores contra sobretensión en línea de datos y comunicación. No se recomienda para su uso en aplicaciones CA de alta exposición debido a sus capacidades limitadas de manejo de energía. La capacidad del diodo de avalancha de silicio es relativamente limitada. Para manejar un transitorio de Categoría B típico (en alimentador y ramales cortos), un circuito requeriría de muchos diodos de avalancha de silicio. Esto se debe a que el diodo de avalancha de silicio tiene una baja capacidad de disipación de calor. De hecho, el diodo de avalancha de silicio de mayor capacidad Página 18

19 disponible en el comercio tiene una especificación nominal de 1500 Watts, lo que equivale a un dispositivo de 1.5 Julio. Por esta razón, el diodo de avalancha de silicio no se recomienda para su uso en tableros o switchboards. Figura 12. Diodo de Avalancha de Silicio Típico (arriba) y MOV (abajo) Célula de Selenio Aún cuando la Célula de Selenio era anteriormente un componente popular de dispositivo de protección contra transitorios, se considera ahora como anticuada. Fue reemplazada en los años 1960 por el varistor de óxido de metal. Las células de selenio son rectificadores metálicos (diodos) con una tensión reversa máxima de solamente 25 VCD; muchas células se requieren en el caso de tensiones más altas. Existe un fabricante de dispositivos de protección contra transitorios que sigue produciendo una forma de célula de selenio que se conoce como protección mejorada contra sobretensión de selenio. El dispositivo combina una célula de selenio en paralelo con un varistor de óxido de metal. Aún cuando esto parece ofrecer los mejor de dos mundos, la eficacia de un dispositivo de este tipo es cuestionable. Cuando las células de selenio son utilizadas en paralelo con varistores de óxido de metal, no se logra ninguna ventaja en cuanto a desempeño, costo ni flexibilidad de aplicación. De hecho, su costo y su volumen físico son desventajas importantes. Muchas placas de selenio deben ser apiladas para crear una interrupción suficiente de la tensión para su uso en circuitos CA. Comparación entre las Tecnologías Página 19

20 A continuación vamos a comparar las tecnologías de dispositivos de protección contra transitorios. Tecnología de dispositivos de protección contra transitorios Varistor de Óxido de Metal Ventajas Alta capacidad de energía Excelente confiabilidad Desempeño consistente Desventajas Se degrada gradualmente, requiriendo de numerosos componentes montados en paralelo Diodo de Avalancha de Silicio Mejor conectividad mecánica para conectar en paralelo múltiples componentes Ideal para aplicaciones en línea de datos Desempeño consistente Baja capacidad de energía Alto costo Sensible a sobretensiones Célula de Selenio Alta capacidad de energía Se requieren de varias unidades Alta corriente de fuga Alta tensión transmitida Voluminoso Costo elevado Varistor de Óxido de Metal vs. Diodo de Avalancha de Silicio en Sistemas de Energía Eléctrica CA: Mito y Realidad Un pequeño número de fabricantes de dispositivos de protección contra transitorios siguen promoviendo el uso de los diodos de avalancha de silicio (SADs) para aplicaciones CA. (Cutler-Hammer no es uno de estos fabricantes). Según lo establecido previamente, más del 95% de los dispositivos de protección contra transitorios incorporan tecnología de varistor de óxido de metal. El diodo de avalancha de silicio sigue utilizándose a pesar de este hecho, debido en gran medida a algunas creencias incorrectas en materia de tecnología. A continuación vamos a contraponer estos mitos con un examen de los hechos. Mito #1: Los diodos de avalancha de silicio responden más rápidamente que los varistores de óxido de metal. Este tiempo de respuesta suprior resulta en un mejor desempeño del dispositivo de protección contra transitorios. Hecho: Los comités de NEMA LS-1 e IEEE no mencionan el tiempo de respuesta como especificación de un dispositivo de protección contra transitorios. Todos los dispositivos de protección contra transitorios, independientemente de la tecnología, responden en bastante tiempo para desviar las sobretensiones. Página 20

21 Hecho: Aún si el tiempo de respuesta fuese un factor, los dispositivos basados en diodos de avalancha de silicio y los dispositivos basados en varistores de óxido de metal tienen tiempos de respuesta equivalentes. El alambrado interno y las conexiones afectan también el tiempo de respuesta de los dispositivos. El alambrado interno y los conductores conectores en un dispositivo basado en un diodo de avalancha de silicio agregan inductancia. La inductancia es el factor principal en el tiempo de respuesta global. Hace más lenta la velocidad de reacción del dispositivo basado en diodo de avalancha de silicio típico a aproximadamente la velocidad de reacción del dispositivo basado en varistor de óxido de metal. Mito #2: Los diodos de avalancha de silicio ofrecen una estabilización más estrecha que los varistores de óxido de metal. Hecho: Cuando se exponen a pruebas definidas según IEEE y a la prueba UL da edición, los dos dispositivos tienen los mismos valores nominales de supresión de tensión. UL no considera que los dispositivos de diodo de avalancha de silicio proporcionen una mejor estabilización que los dispositivos de varistor de óxido de metal. Mito #3: Los varistores de óxido de metal se degradas con el paso del tiempo mientras que los diodos de avalancha de silicio no. Por consiguiente, el diodo de avalancha de silicio tiene una vida útil más larga y es más seguro. Hecho: La vida útil de un diodo de avalancha de silicio es mucho menor que la vida útil de un varistor de óxido de metal. Un diodo de avalancha de silicio individual puede ser dañado por un transitorio de menos de 1,000 amperes. IEEE C62.41 requiere que un dispositivo de protección contra transitorios resista a transitorios de 10,000 amperes. Los diseños basados en varistores de óxido de metal permiten una protección confiable contra transitorios que rebasan por mucho la vida de la instalación. Los diseños de diodo de avalancha de silicio tienen capacidades de energía más bajas, especialmente en acometidas. Véase la gráfica abajo. La capacidad limitada de manejo de energía del diodo de avalancha de silicio es evidente. Los dispositivos basados en diodos de avalancha de silicio presentan también tendencia a fallas catastróficas debido a transitorios de alta tensión (perturbaciones de sobretensión). Página 21

22 Figura 13. Los Diodos de Avalancha de Silicio Tienen una Menor Capacidad de Manejo de Energía, una Vida Útil más Corta que los Varistores de Óxido de Metal Un dispositivo de protección contra transitorios de calidad con varistores de óxido de metal en paralelo puede lograr unas especificaciones de sobrecorriente de más de 250,000 amperes, por fase. Con este valor nominal, el dispositivo de protección contra transitorios operará de manera eficaz durante toda la vida del edificio, aún en un área de muchos rayos, como por ejemplo Florida. Esto hace que el varistor de óxido de metal sea mucho más confiable para su uso en un sistema de energía eléctrica CA. Página 22

23 Estándares de Dispositivo de Protección contra Transitorios Los Estándares establecidos por UL, IEEE, ANSI, NEC y otros proveen uniformidad en el ámbito de los dispositivos de protección contra transitorios. Los estándares ofrecen parámetros de prueba que permiten comparar y clasificar los dispositivos de protección contra transitorios. Para tomar decisiones informadas en cuanto a protección contra transitorios, usted debe familiarizarse con todos los estándares de protección contra sobretensión. Aún cuando hemos mencionado varios estándares en este módulo, es importante que usted los examine con detalles. Resumen de los Estándares Estándar Fecha de Revisión Propósito UL 1449 UL 497, 497A, 497B ANSI/IEEE C da edición: 1996 Pruebas de Seguridad Prueba de Sobrecorriente Especifica materiales y métodos de construcción seguros para ofrecer seguridad de producto para dispositivos de protección contra transitorios utilizados en líneas de alimentación CA. Revisa los valores nominales de tensión transmitida utilizando ondas de prueba de pequeña sobrecorriente. Observación: Este estándar no requiere de una prueba de sobrecorriente máxima ni de probar el desempeño de los dispositivos de protección contra transitorios. Varias Estándar de seguridad para protectores primarios en líneas telefónicas, bucles de señales aislados y protección contra transitorios que se utilizan en líneas de comunicación/datos. No se efectúan pruebas de desempeño en línea de comunicación/ datos El documento ANSI Práctica Recomendada en Sobretensiones en Circuitos de Potencia CA de Baja Tensión define las pruebas de sobretensión recomendada. IEEE Este Libro Esmeralda, intitulado Práctica Recomendada para Alimentación y Conexión a Tierra de Equipo Electrónico Sensible es el libro de referencia estándar para soluciones de calidad de energía a escala de una planta. NEMA LS Guía del Comité Técnico de NEMA para especificación de dispositivos de protección contra transitorios, incluyendo parámetros físicos y operativos. NFPA Recomendaciones de Código de Protección contra Rayos para el uso de dispositivo de protección contra transitorios en la acometida de una instalación. Página 23

24 UL da Edición UL 497, 497A y 497B A continuación vamos a considerar algunos de estos estándares con mayores detalles. El estándar UL 1449, primera Edición, es para todos los equipos colocados en el lado de carga del servicio eléctrico CA, y en toda la instalación para sistemas de distribución de baja tensión. Incluye tanto productos físicamente alambrados como enchufados. Para ser clasificado según UL, un supresor debe pasar una docena de pruebas de desempeño, incluyendo: Supresión de transitorios Ciclo de trabajo Temperatura Corriente de fuga Sobretensión Continuidad de conexión a tierra Debe también satisfacer estándares de seguridad en áreas tales como: Construcción de gabinete Protección contra corrosión Aislamiento Alambrado interno Conexión a tierra UL lleva a cabo también una prueba de tensión transmitida, y asigna al supresor una Clasificación de Tensión Suprimida. Es importante observar que estas clasificaciones son clasificaciones de componentes solamente, no la clasificación de tensión transmitida real del sistema de distribución eléctrica. Esto significa que la longitud de conductor de la instalación y la protección contra sobrecorriente no se toman en cuenta. La esencia de los procedimientos de prueba permaneció sin cambio en la 2da Edición. Sin embargo, algunos procedimientos fueron actualizados. Se realizó un cambio sustancial en la metodología de prueba de sobretensión. Una sobrecorriente para dispositivos físicamente alambrados fue cambiada de 3,000 amperes a 500 amperes, correspondiendo al estándar aplicado a dispositivos enchufables. Pruebas de falla anormales adicionales fueron agregadas. El dispositivo de protección contra transitorios está expuesto a una tensión alta para asegurar que la unidad no falla de una manera insegura. UL 497 es un estándar de seguridad para proteger a la gente, no los dispositivos. Mientras que los protectores de UL 497 deben proteger a la gente, no están diseñados con seguridad tomando en cuenta un equipo electrónico sensible. Como tal, UL 497 no es realmente nuestra preocupación esencial. Sin embargo, es bueno que usted esté familiarizado con el estándar. UL 497 es el estándar de seguridad para protectores primarios de telecomunicaciones de par individual o pares múltiples. Cada línea telefónica proporcionada por un operador de teléfono debe tener un protector T1 aprobado según UL que cumple con NEC Artículo 800. Este protector primario es un requer- Página 24

25 ANSI/IEEE C62.41 imiento de seguridad diseñado para proteger al personal contra un potencial o corriente excesiva en líneas telefónicas, causado por rayo, contactos de conductor de energía, y elevaciones en el potencial de tierra. Supresores de transitorios que cumplen con este estándar son listados ya sea como 497A o UL 497B. Veamos rápidamente cada uno de ellos. UL 497A se aplica a protectores secundarios para circuitos de teléfono y comunicaciones. Tales protectores se contemplan para su uso en el lado protegido de las redes de telecomunicaciones con menos de 150 volts RMS de operación a tierra, considerando que los protectores primarios están en su lugar. Se utilizan protectores secundarios en la acometida de la instalación, o bien en otras áreas que requieren de protección para equipo de comunicaciones. UL 497B se aplica a comunicación de datos y protectores de circuito de alarma contra incendios (circuitos que inician la alarma o que indican alarma). Esto incluye la mayoría de los protectores de línea de datos en la industria eléctrica. Este documento describe un entorno de sobretensión típico, con base en los factores siguientes: Ubicación dentro de una instalación Impedancia de línea de suministro de energía eléctrica al transitorio Longitud total de alambre Proximidad Tipo de cargas eléctricas Calidad de alambrado Ubicación geográfica No especifica una prueba de desempeño sino que incluye formas de onda estandarizadas para su uso para probar un equipo de protección. Figura 14. Onda de Combinación (corriente), Mostrada a la Izquierda, y Onda Resonante La forma de onda de combinación es un impulso unipolar, similar a un rayo. El tiempo de elevación de esta onda de corriente es de 8 microsegundos. La forma de onda resonante es una forma de onda oscilante que ocurre muy frecuentemente en una instalación. La amplitud y energía disponible de las formas de onda estándares dependen de la ubicación en una instalación. Por ejemplo, el estándar clasifica las ubicaciones en tres categorías: Página 25

26 Figura 15. Categorías A, B y C de Ubicación Esta tabla describe las formas de onda de transitorios de prueba de categoría A, B y C. Categoría Tensión (V) Corriente (A) Onda Vibratoria 0.5 µs x 100kHz A3 6, N/A B3 6, ,000 C3 20,000 N/A 10,000 Onda de Combinación (Impulso) 8 x 20 µ S (A) IEEE 1100 (1992) El estándar IEEE 1100 se presenta en un libro esmeralda titulado Práctica Recomendada para Suministrar Energía Eléctrica y Conectar a Tierra Equipos Electrónicos Sensibles. Este estándar es el libro de referencia recomendado para soluciones de calidad de energía a escala de una planta. El alcance definido de la publicación es recomendar prácticas de diseño, instalación y mantenimiento para suministrar energía eléctrica y conectar a tierra equipos electrónicos sensibles utilizados en aplicaciones comerciales e industriales. Los capítulos siguientes se aplican a los dispositivos de protección contra transitorios: Capítulo 3, especialmente secciones y Capítulo 4, especialmente secciones 4.4 y 4.5 Capítulo 8, especialmente sección 8.2 Capítulo 9, especialmente sección 9.11 NEMA LS-1 Guía de especificaciones para aplicaciones de energía eléctrica CA de baja tensión (menos de 1000 V). NEMA utilizó conceptos y recomendaciones a partir de los lineamientos establecidos por IEEE y UL en el desarrollo de esta guía. NEMA LS-1 identifica parámetros claves y procedimientos de evaluación para especificaciones. Algunos de los parámetros claves son: Tensión de Operación Continua Máxima (MCOV) Página 26

27 NFPA 780 Modos de protección Corriente de sobretensión máxima para cada modo de protección Estabilización de tensión para: Onda vibratoria B3 Impulso B3/C1 Impulso C3 Rechazo de ruido EMI (pérdida de inserción) Aprobaciones de seguridad según UL (incluyendo UL 1449) Entorno de aplicación Las especificaciones de Julio y tiempo de respuesta no se mencionan como criterios de desempeño para los dispositivos de protección contra transitorios en NEMA LS-1 ni otras organizaciones. Como se comentó arriba, NFPA 780 es el código para sistemas de protección contra rayos. Se refiere a requerimientos de protección para instalaciones tales como: Estructuras ordinarias Estructuras misceláneas y especiales Entornos industriales La sección 3-21 del código se refiere a la supresión de transitorios. Dice lo siguiente: Dispositivos adecuados para producción de estructura deberán colocarse en acometidas eléctricas y telefónicas y en entradas de antena de radio y televisión. Nota: Los sistemas eléctricos y los equipos dentro de la estructura pueden requerir de una supresión adicional de transitorios. Página 27

28 Repaso 3 Conteste las preguntas siguientes sin hacer referencia al material que se le acaba de presentar. Empiece la sección siguiente cuando esté seguro que entiende lo que acaba de leer. 1. El componente de protección contra transitorios con la más alta capacidad de manejo de energía es. El componentes de protección contra transitorios con la menor capacidad de manejo de energía es. 2. Relacione el estándar con su descripción. A. UL Es una guía de especificación para aplicaciones de energía eléctrica CA de baja tensión (debajo de 1000 V). B. UL 497A 2. Este documento describe un entorno de sobretensión típico, e incluye formas de onda estandarizadas para su utilización para probar equipo de protección. C. ANSI/IEEE C El estándar de seguridad para todos los equipos instalados en el lado de carga del servicio eléctrico CA y en la instalación para sistemas de distribución de baja tensión. D. IEEE Es el código para sistemas de protección de alumbrado. E. NEMA LS-1 5. Este estándar es el libro de referencia recomendado para soluciones de calidad de energía a escala de la planta. Se presenta en un libro esmeralda titulado Práctica Recomendada para Suministra Energía y Conectar a Tierra Equipos Electrónicos Sensibles. F. NFPA Estándar de seguridad para protectores utilizados para evitar que transitorios dañen los circuitos telefónicos. Página 28

29 Ayuda al Cliente Criterios de Especificación para Protección contra Transitorios de Distribución Qué es la Capacidad de Corriente Transitoria? Los dispositivos de protección contra transitorios son estándares en la mayoría de las especificaciones para instalaciones industriales y comerciales. Una especificación debe enfocarse a los requerimientos esenciales de desempeño, instalación y seguridad. Pero qué criterios son importantes cuando se especifica un dispositivo de protección contra transitorios? Los siguientes se consideran como criterios esenciales de desempeño, seguridad e instalación para una especificación: Transitorio por Fase Cutler-Hammer recomienda 250 ka por fase por acometida, 120 ka por fase para tableros y otras ubicaciones. Tensión transmitida El desempeño debe ser especificado con base en las formas de onda de prueba según tres estándares IEEE (IEEE C62.41 Categoría C3 y B3 para ondas de combinación y B3 onda vibratoria). Especifica los valores nominales requeridos para tensiones nominales aplicables en modos LG y L-N. Filtro Efectivo Con base en la prueba de calidad de inserción MIL-STD-220, la atenuación del ruido a 100 khz debe rebasar 50 db (modos L-N). Especifica que resultado de prueba se proporcionan. Instalación Integrada El dispositivo de protección contra transitorios debe ser instalado en fábrica como parte del equipo de distribución. Asegura que la instalación minimiza la longitud del conductor. Fusibles Internos Para seguridad y protección contra sobrecorriente, un sistema de fusibles internos de 200 kaic debe proporcionarse. Monitoreo y Diagnóstico Confiable Esto debe incluir una indicación de estado a prueba de errores para cada fase. Una opción popular es la inclusión de contactos de forma C para monitoreo remoto. Prueba Independiente Para asegurar construcción y diseños confiables, especifica que todos los fabricantes sometan resultados proporcionados por un laboratorio de prueba independiente, que verifica que el dispositivo puede alcanzar los valores nominales de transitorios publicados (con base por modo y por fase). Para ayudarle a entender la importancia de estos criterios, vamos a contestar a algunas de las preguntas más frecuentemente planteadas en materia de criterios de especificación. La Capacidad de Corriente Transitoria es definido por NEMA LS-1 como el impulso máximo de corriente de sobretensión 8/20 us que el dispositivo de protección contra transitorios puede sobrevivir en base en un solo impulso, sin afectar el desempeño o provocar una degradación de más de una desviación del 10 por ciento de la tensión de estabilización. Página 29

30 Qué Capacidad de Corriente de Sobretensión Se Requiere? Los estándares industriales publican corriente de sobretensión por fase, sumando los modos L-N y L-G en un sistema de Y o sumando los modos L-L y L- G en un sistema Delta. La capacidad de corriente de sobretensión es utilizada para indicar la capacidad protectora de un diseño de dispositivo de protección contra transitorios particular y debe utilizarse en una base por fase y por modo cuando se especifica un dispositivo de protección contra transitorios para una aplicación dada. La capacidad de corriente de sobretensión depende de la aplicación y la cantidad de protección requerida. La ubicación geográfica de la instalación y la exposición a transitorios debe considerarse. Asimismo, se debe considerar que tan crítico es el equipo para la instalación en términos de tiempo perdido y costos de reparación. Con base en la información disponible, la amplitud máxima de un transitorio relacionado con rayo en la acometida de una instalación es de 20 kv, con onda de combinación de 10 ka (véase IEEE C62.41). Arriba de esta cantidad, la tensión rebasará los valores nominales de Nivel de Aislamiento Básico (BIL), provocando la formación de arcos en los conductores y/o el sistema de distribución. Cutler Hammer recomienda 250 ka por fase para aplicaciones en acometidas (grandes instalaciones en ubicaciones de alta exposición), y 120 ka por fase en tablero de ramales. Si el transitorio máximo es de 10 ka, por qué tantos proveedores sugieren la instalación de un dispositivo que puede manejar hasta 250 ka por fase? La respuesta es vida útil. Un supresor en acometida experimentará miles de transitorios de varias magnitudes. Con base en los datos estadísticos, un supresor apropiadamente construido con una corriente nominal de transitorio de 250 ka por fase tendrá una vida útil de más de 25 años en una ubicación de alta exposición. Algunos fabricantes recomiendan la instalación de dispositivos de protección contra transitorios con valores nominales de transitorios de hasta 600 ó 700 ka por fase. Este nivel de capacidad no ofrece ningún beneficio a los clientes. Un dispositivo de 400 ka por fase, tendría una vida útil de aproximadamente 500 años en el caso de una ubicación de exposición media mucho más allá de parámetros de diseño razonables. Los dispositivos de protección contra sobretensión actuales no fallan debido a transitorios por rayos. Con base en dos décadas de experiencia, la tasa de falla de un dispositivo de protección contra transitorios es extremadamente baja, inferior al 0.1%. Si falla un supresor, esto se debe probablemente a una sobretensión excesiva (transitorio de sobretensión) provocado por una falla en la línea de suministro de energía eléctrica proporcionada por la empresa proveedora (es decir, la línea de 120 VCA nominal rebasa 180 VCA durante muchos ciclos). Un transitorio de alta tensión severo dañará los protectores contra sobretensión y otras cargas electrónicas tales como computadoras. Si ocurre este evento poco frecuente, diga a su empresa de suministro de energía eléctrica que investigue el asunto. Página 30